微細(xì)倒錐孔的電解加工方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微細(xì)倒錐孔的電解加工方法及其裝置，屬于微細(xì)特種加工技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的微型化和精密化趨勢(shì)下，高深寬比的微細(xì)倒錐孔在發(fā)動(dòng)機(jī)、微 機(jī)電系統(tǒng)和精密儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴上的微細(xì)倒錐形噴孔 可有效提高燃油的燃燒效率、減少?gòu)U氣排放等。而且在其燃油噴射的入口處加工圓角可以 進(jìn)一步提高燃油的流量系數(shù)。隨著倒錐孔尺寸形狀和精度要求的提高，微細(xì)倒錐孔精密成 形和表面光整加工難度的逐漸增大，如何實(shí)現(xiàn)尺寸微小、形狀精度高、表面質(zhì)量好的微細(xì)倒 錐孔及其出口圓角的加工仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0003] 目前微細(xì)倒錐形噴孔的常用加工工藝是采用電火花加工或激光加工實(shí)現(xiàn)孔的加 工成形，然后采用磨粒流擠壓研磨工藝提高通孔的表面質(zhì)量。微細(xì)電火花加工得到倒錐孔 需采用電極偏擺機(jī)構(gòu)或成型電極，雖然其成形效率較高，但是工具電極的損耗無(wú)法避免，影 響孔的形狀精度。激光加工微細(xì)孔沒(méi)有工具損耗，但是其表面質(zhì)量較差。盡管飛秒脈沖激光 加工的發(fā)展具有提高加工效率和表面質(zhì)量的潛力，但其應(yīng)用尚不成熟。磨粒流擠壓研磨可 以輔助降低表面粗糙度改善表面質(zhì)量，但是磨粒流會(huì)破壞孔的形狀精度，而且孔內(nèi)殘留的 磨粒清洗比較困難。
[0004] 電解加工是利用電化學(xué)反應(yīng)的原理使陽(yáng)極金屬在電解液中以離子形式溶解，從而 將工件蝕除成形的一種精密加工方法。具有加工精度高，工件表面質(zhì)量好的特點(diǎn)。在采用電 解加工微細(xì)倒錐孔中，嚴(yán)格控制孔的輪廓形狀即直徑變化非常關(guān)鍵。在穩(wěn)定的電解加工狀 態(tài)下，微細(xì)倒錐孔的直徑由加工電壓、脈沖占空比、工具電極進(jìn)給速度和電解液的電導(dǎo)率分 布等因素決定，隨著工具電極向下進(jìn)給，精確控制加電解加工電壓、脈沖占空比、進(jìn)給速度 可實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)孔尺寸和形狀的精確控制。然而，目前電解加工中材料蝕除形成的孔徑與加 工參數(shù)間的定量關(guān)系以及加工參數(shù)的控制規(guī)律的選取方法尚不明確。
[0005] CN201110144408提出一種微細(xì)倒錐孔的電解加工方法和裝置，其工藝是預(yù)先在工 件上鉆削或電火花加工一通孔，然后在該通孔的基礎(chǔ)上電解加工得到倒錐孔，其電解工序 中工具電極與通孔的二次對(duì)中誤差較大，對(duì)中精度直接影響微細(xì)倒錐孔的形狀精度，而且 由于需要二次加工，所以工序也比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，確有必要提供一種微細(xì)倒錐孔的電解加工方法及其裝置，該電解加工 方法一次性實(shí)現(xiàn)微細(xì)倒錐孔的精密成形，不需二次加工。通過(guò)建立孔徑與加工參數(shù)間的定 量關(guān)系，按一定規(guī)律協(xié)同控制加工參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)微細(xì)倒錐形孔的精密成形。
[0007] -種微細(xì)倒錐孔的電解加工方法，包括以下工序：提供一待加工工件、一工具電 極、一脈沖電源和一高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧龉ぞ唠姌O具有一內(nèi)孔，所述待加工工件與所述脈 沖電源的正極電連接，所述工具電極與所述脈沖電源的負(fù)極電連接;打開(kāi)高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?的液栗電源，使所述高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧ㄟ^(guò)所述工具電極的內(nèi)孔向加工間隙提供電解液;開(kāi) 啟脈沖電源輸出脈沖信號(hào)，所述工具電極向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工具電極向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，根 據(jù)電解加工中微細(xì)倒錐孔的加工參數(shù)協(xié)同控制關(guān)系，控制電解加工電壓U、脈沖占空比A和 工具電極進(jìn)給速度vf三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)隨著加工深度h變化，所述加工參數(shù)協(xié) 同控制關(guān)系由微細(xì)倒錐孔的孔徑-參數(shù)關(guān)系d=83.59+182.06 X A-17.06 X A X Vf+0.35 X U2以 及微細(xì)倒錐孔的形狀參數(shù)d=ao?h+do得到，其中，所述孔徑-參數(shù)關(guān)系是以待加工工件材料 為18CrNi8,電解液為NaC103建立的，ao由微細(xì)倒錐孔的錐角決定，do為微細(xì)倒錐孔的入口直 徑，h為加工深度;所述待加工工件被貫通后，所述工具電極作變加速向上回退運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行出 口圓角的加工，最后工具電極向上回退運(yùn)動(dòng)到初始位置，得到所述微細(xì)倒錐孔。
[0008] 一種微細(xì)倒錐孔的電解加工裝置，包括一工具電極，一待加工工件，一脈沖電源以 及一高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?，所述工具電極與所述脈沖電源的負(fù)極電連接，所述待加工工件與所 述脈沖電源的正極電連接，所述工具電極包括一內(nèi)孔，所述高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧ㄟ^(guò)所述工具 電極的內(nèi)孔向加工間隙提供電解液，其特征在于，進(jìn)一步包括一低壓電解液循環(huán)單元，該低 壓電解液循環(huán)單元用于在所述待加工工件被貫通后，向工具電極和待加工工件間的加工間 隙內(nèi)提供電解液。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的微細(xì)倒錐孔的電解加工方法及裝置，通過(guò)一個(gè) 工序就可以實(shí)現(xiàn)微細(xì)倒錐孔的精密成形，不存在二次對(duì)中問(wèn)題，提高了微細(xì)倒錐孔的形狀 精度，簡(jiǎn)化了加工工序。另外，所述微細(xì)倒錐孔電解加工孔徑-參數(shù)關(guān)系明確了微細(xì)倒錐孔 的孔徑與電解加工電壓U，脈沖占空比A以及電極進(jìn)給速度 Vf的定量關(guān)系，指導(dǎo)了微細(xì)倒錐 孔加工中的協(xié)同參數(shù)控制規(guī)律的選取，在工具電極進(jìn)給過(guò)程中精確協(xié)同控制加工電壓、脈 沖占空比以及進(jìn)給速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)孔尺寸和形狀的精確控制。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本發(fā)明實(shí)施方式提供的微細(xì)倒錐孔及其出口圓角精密成形示意圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的微細(xì)倒錐孔的電解加工裝置的組成示意圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明實(shí)施方式提供的高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧墓┮簤毫图庸ど疃鹊淖兓?線。
[0013] 主要元件符號(hào)說(shuō)明

如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的微細(xì)倒錐孔的電解加工方法及其 裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]請(qǐng)參閱圖1和2,本發(fā)明提供的微細(xì)倒錐孔的電解加工裝置100包括一工具電極10， 一待加工工件20, 一脈沖電源30, 一高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0和一低壓電解液循環(huán)單元50。所述工 具電極10與所述脈沖電源30的負(fù)極電連接，所述待加工工件20與所述脈沖電源30的正極電 連接。
[0016]所述工具電極10為一微細(xì)中空電極，工具電極10具有一內(nèi)孔（圖未標(biāo)）。該工具電 極10的外側(cè)壁包覆一絕緣層60。優(yōu)選的，工具電極10的材料為黃銅，其內(nèi)徑為60wii，外徑為 130_，側(cè)壁絕緣處理后直徑為150_。
[0017] 所述高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0由隔膜栗41，電磁流量閥42,精密過(guò)濾器43,電解液箱44以 及廢液槽45組成，具有供液壓力高、電解液流量小、流道純凈度高等特點(diǎn)。所述高壓內(nèi)沖液 單元40的供液壓力可以實(shí)時(shí)精確調(diào)整，高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0的供液壓力 P1范圍優(yōu)選為0.2~ 1.3MPa。所述高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0通過(guò)工具電極10的內(nèi)孔向加工間隙提供電解液，實(shí)現(xiàn)電解 液更新的同時(shí)排出電解產(chǎn)物。
[0018] 所述低壓電解液循環(huán)單元50由隔膜栗51，電磁減壓閥52,精密過(guò)濾器53以及電解 液箱54組成。所述低壓電解液循環(huán)單元50的供液壓力p 2范圍優(yōu)選為0.05~0.2MPa，低壓電解 液循環(huán)單元50的供液壓力仍在電解加工中保持不變。所述低壓電解液循環(huán)單元50在待加工 工件20被部分貫通后，向工具電極10和待加工工件20間的加工間隙內(nèi)提供電解液，保證電 化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，進(jìn)而避免倒錐孔出口及圓角欠加工的現(xiàn)象。可以理解，所述低壓電解 液循環(huán)單元50為一可選擇元件，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。
[0019]所述微細(xì)倒錐孔的電解加工裝置100可進(jìn)一步包括一工裝夾具70,用于夾持待加 工工件20。
[0020]本發(fā)明提供的微細(xì)倒錐孔的電解加工方法主要實(shí)現(xiàn)在厚度為0.5~1 . 5mm的 18CrNi8上加工出口直徑為0.1mm~0.2mm，錐角大小為0~1.15°的微細(xì)倒錐孔的一次精密成 形和光整加工。18CrNi8為目前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴普遍采用的材料?？梢岳斫?，本發(fā)明提供 的微細(xì)倒錐孔電解加工方法也可以用于其它材料的微細(xì)倒錐孔。
[0021]所述微細(xì)倒錐孔的電解加工方法包括以下工序:提供一工具電極10、一待加工工 件20、一脈沖電源30和一高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0,所述工具電極10具有一內(nèi)孔，所述待加工工件 20與脈沖電源30的正極電連接，所述工具電極10與脈沖電源30的負(fù)極電連接。打開(kāi)高壓內(nèi) 沖液?jiǎn)卧?0的液栗電源，使高壓內(nèi)沖液?jiǎn)卧?0通過(guò)工具電極10的內(nèi)孔向加工間隙提供電解 液。開(kāi)啟脈沖電源30,該脈沖電源30輸出脈沖信號(hào)，控制所述工具電極10向下進(jìn)給，工具電 極10向下進(jìn)給過(guò)程中，根據(jù)微細(xì)倒錐孔電解加工中孔徑-參數(shù)關(guān)系以及加工參數(shù)協(xié)同控制 規(guī)律，精確控制電解加工電壓、脈沖占空比和加工進(jìn)給速度三個(gè)參數(shù)中的中的一個(gè)或多個(gè) 參數(shù)隨著加工深度變化。所述待加工工件20被貫通后，脈沖電源30繼續(xù)輸出脈沖信號(hào)，工具 電極10作變加速向上回退，對(duì)微細(xì)倒錐孔的出口表面進(jìn)行圓弧加工，得到帶有出口圓角的 微細(xì)倒錐孔;以及關(guān)閉脈沖電源30,控制工具電極10恢復(fù)到初始位置。
[0022]利用NaC103作為電解液加工18CrNi8材料時(shí)，所述微細(xì)倒錐孔的孔徑-參數(shù)關(guān)系如 式(1)所示： d=83.59+182.06 X A-17.06 X A X vf+0.35 X U2( 1) 〇 [0023] 其中，U為電解加工電壓，U=8~12V;A為脈沖占空比，A=〇.3~0.8;Vf為工具電極進(jìn)給 速度， Vf=l~6wn/S。所述孔徑-參數(shù)關(guān)系由電解加工電場(chǎng)仿真和正交試驗(yàn)得到，其中d的單位 為ym〇
[0024]由于微細(xì)倒錐孔的孔壁面母線形狀為直線，微細(xì)倒錐孔孔徑d隨加工深度h的變化 關(guān)系為d=ao ? h+do，g卩，微細(xì)倒錐孔形狀參數(shù)為d=ao ? h+do。其中ao由微細(xì)倒錐孔的錐角0決 定，ao=2tan (0/2 )，do為微細(xì)倒錐孔的入口直徑。根據(jù)微細(xì)倒錐孔的孔徑-參數(shù)關(guān)系可以得到 在電解加工電壓，脈沖占空比和工具電極進(jìn)給速度任意組合的加工條件下微細(xì)倒錐孔的直 徑大小，結(jié)合微細(xì)倒錐孔的尺寸和形狀，可選取微細(xì)倒錐孔的協(xié)同參數(shù)控制規(guī)律，從而加工 出特定直徑和形狀的微細(xì)倒錐孔。換言之，根據(jù)d=83.59+182.06 X A-17.06 X A X Vf+0.35 X U2以及d=ao ? h+do可以得到電解加工電壓、脈沖占空比以及工具電極進(jìn)給速度的控制規(guī)律。 [0025] 在加工過(guò)程中可以選擇電解加工電壓U、脈沖占空比A和工具電極進(jìn)給速度Vf三個(gè) 參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)、兩個(gè)參數(shù)或者三個(gè)參數(shù)隨著加工深度h變化。為了簡(jiǎn)化加工參數(shù)的控制 規(guī)律的選取和實(shí)現(xiàn)參數(shù)變化的精確控制，在加工過(guò)程中優(yōu)選只有單一參數(shù)隨著加工深度h 變化，本實(shí)施例中采用變電解加工電壓U或變進(jìn)給速度 Vf兩種方式進(jìn)行加工。
[0026] 在所述變電解加工電壓方式中，將脈沖占空比A設(shè)為恒值A(chǔ)u，將進(jìn)給速度Vf設(shè)為恒 值vfu，根據(jù)d=83 ? 59+182 ? 06 X A-17 ? 06 X A Xvf+0 ? 35 XU2